Meet- en regeltechniek voor metingen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 10 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Deelspanningen
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Output
Vab = Va − Vb
Balans
R1/R2 = R3/R4
Schuifdraadbrug
R/Rx = l/(100 − l)
Thévenin-weerstand
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
K-factor
ΔR/R = GF·ε
Uitgang van de brug
kwart Vs·GF·ε/4, half Vs·GF·ε/2, vol Vs·GF·ε
Kleine verandering, één arm
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Spanning
σ = E·ε

Methode

  1. Behandel de brug als twee spanningsdelers over dezelfde voeding.
  2. Stel voor evenwicht R₁/R₂ = R₃/R₄ en los op voor de onbekende weerstand.
  3. Bepaal voor een onevenwichtige brug Va en Vb uit de delers en trek ze af; gebruik het Thévenin-equivalent als een meter de uitgang belast.
  4. Reken voor rekstrookjes de rek om naar ΔR/R = GF·ε en gebruik Vs·GF·ε/4, /2 of ×1 voor een kwart-, halve of volle brug.

Data-acquisitie en bemonstering

Nyquistcriterium
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Aliasfrequentie
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Stapgrootte
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Kwantisatiefout (afronding)
±½ LSB
Afkappende ADC-code
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bits voor een resolutie r
2ᴺ ≥ span/r
Ideale SQNR, volle-schaal sinus
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Datasnelheid
kanalen × fs × N bit/s
Gemultiplexte ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bits per byte; bytes/s = baud/bits per frame
Baudrate-deler
baud = fclk/(16·D)

Methode

  1. Schrijf op wat gegeven is: bemonsteringsfrequentie, signaalfrequenties, aantal bits, ingangsbereik, baudrate.
  2. Vergelijk bij bemonsteringsvragen elke frequentie met fs/2; een hogere frequentie verschijnt bij fa = |f − k·fs| met het dichtstbijzijnde veelvoud van fs.
  3. Bepaal bij resolutievragen 1 LSB = VFSR/2ᴺ, of de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/resolutie.
  4. Tel bij datasnelheden en UART-verbindingen alles wat wordt verzonden: kanalen, samples per seconde, bits of hele bytes per sample, en de start-, pariteits- en stopbits van elk frame.

Opampschakelingen

Inverterende versterker
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Niet-inverterende versterker
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Sommeerversterker
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Ideale opamp
V+ = V−, Iin = 0

Serie- en parallelweerstanden

Weerstanden in serie
Req = R1 + R2 + …
Weerstanden parallel
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Twee parallel
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Wet van Ohm
V = I·R
Vermogen
P = V·I = I²R = V²/R

Methode

  1. Begin aan het uiteinde van het netwerk dat het verst van de klemmen ligt.
  2. Combineer weerstanden in serie door ze op te tellen, en weerstanden parallel met 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Teken de schakeling na elke stap opnieuw.
  4. Herhaal tot er één weerstand tussen de klemmen over is.

Thévenin en Norton

Thévenin-spanning
Vth = Vopen circuit
Thévenin-weerstand
Rth: alle bronnen uit, gezien vanaf a–b
Norton-stroom
IN = Vth/Rth
Belastingsstroom
IL = Vth/(Rth + RL)
Maximale vermogensoverdracht
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Methode

  1. Haal de belasting weg en markeer de twee klemmen a en b.
  2. Bepaal de openklemspanning tussen a en b: dit is Vth.
  3. Schakel alle onafhankelijke bronnen uit en bepaal de weerstand gezien vanaf a–b: dit is Rth.
  4. Zet de belasting terug op het vervangingsschema: Vth in serie met Rth.
  5. Reken voor het Norton-equivalent om: IN = Vth/Rth, met RN = Rth parallel.

2Oefenopgaven

1.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−10 VR1​ = 50 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 60 ΩR4​ = 500 Ωab+−Rth​ = ?

Bepaal de Thévenin-weerstand Rth van de getoonde brug, gezien vanaf de uitgangsklemmen a en b.

Vs = 10 VR1 = 50 ΩR2 = 20 ΩR3 = 60 ΩR4 = 500 Ω
Rth = Ω
2.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−10 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Een brug met armen van 120 Ω wordt bekrachtigd met 10 V en heeft twee actieve rekstrookjes in naburige armen, één op trek en één op druk (halve brug). De k-factor is 2 en de rek is 750 µε. Bepaal de uitgang Vo van de brug in mV.

Vs = 10 VGF = 2ε = 750 µε
Vo = mV
3.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Vin​N = ?10 V2ᴺ − 10≤ 0,2 mV

Een ADC met een ingangsbereik van 0 tot 10 V moet stappen van 0,2 mV of kleiner kunnen onderscheiden. Bepaal het kleinste aantal bits N.

VFSR = 10 Vresolutie = 0,2 mV
N =
4.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
T1 mV/°C×1∿01N = 10, 5 V? °C/LSB

Een temperatuursensor geeft 1 mV/°C (0 V bij 0 °C). Zijn signaal wordt 1 keer versterkt en naar een 10-bits ADC met een bereik van 0 tot 5 V gevoerd (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Bepaal de temperatuurverandering ΔTLSB die overeenkomt met één LSB.

S = 1 mV/°CG = 1N = 10VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
5.OpampschakelingenGemiddeld
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = −1,4 V

De opamp is ideaal en wordt gevoed met ±15 V. Vind de uitgangsspanning Vout.

Vin = −1,4 VR1 = 2 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
6.OpampschakelingenMoeilijk
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −1,9 VR1​ = 1 kΩV2​ = −1,4 VR2​ = 100 kΩ

De sommeerversterker gebruikt een ideale opamp met een voeding van ±15 V. Vind de uitgangsspanning Vout.

V1 = −1,9 VV2 = −1,4 VR1 = 1 kΩR2 = 100 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
7.Serie- en parallelweerstandenGemiddeld
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​8 ΩB

Vind de vervangingsweerstand Req die de bron V1 ziet.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
8.Serie- en parallelweerstandenMoeilijk
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBR6​8 Ω

Vind de stroom IR1 die de bron levert, en die door R1 loopt.

V1 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 5 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
9.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAab

Vind de Thévenin-weerstand Rth gezien vanaf de klemmen a–b.

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​1 ABRL​3 ΩIL​

Een belasting RL = 3 Ω is aangesloten over a–b. Gebruik een Thévenin-equivalent om het vermogen PL in de belasting te vinden.

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩRL = 3 Ω
PL = W

3Oplossingen

1.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Rth = 67,86 Ω

Brug van Wheatstone: twee spanningsdelers delen één voeding Vs. De linker deler R1–R2 geeft Va = Vs·R2/(R1 + R2) en de rechter deler R3–R4 geeft Vb = Vs·R4/(R3 + R4); de uitgang is Vab = Va − Vb. De brug is in evenwicht (Vab = 0, geen stroom in de meter) als R1/R2 = R3/R4, dat wil zeggen R1·R4 = R2·R3. Vanaf de uitgang gezien is de brug een Thévenin-bron met Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Voeding kortgesloten

R₁∥R₂ = 50·20/70 = 14,29 Ω
R₃∥R₄ = 60·500/560 = 53,57 Ω

Thévenin-weerstand

Rth = 67,86 Ω

Antwoord

Rth = 67,86 Ω
2.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vo = 7,5 mV

Rekstrookjes: een rekstrookje verandert zijn weerstand met de rek: ΔR/R = GF·ε, waarbij de k-factor GF ongeveer 2 is voor metaalfolie. In een brug met alle armen gelijk aan R geeft één actief rekstrookje (kwartbrug) Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Twee actieve rekstrookjes met tegengestelde rek in naburige armen (halve brug) geven Vs·GF·ε/2, en vier (volle brug) geven Vs·GF·ε. De spanning volgt uit de wet van Hooke, σ = E·ε. Weegcellen geven hun gevoeligheid op in mV/V: de uitgang bij volle belasting per volt bekrachtiging.

Relatieve weerstandsverandering

ΔR/R = 2·750·10⁻⁶ = 0,0015

Uitgang van de brug

Vo = Vs·GF·ε/2 = 10·0,0015/2 = 7,5 mV

Antwoord

Vo = 7,5 mV
3.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: N = 16

ADC-resolutie: een N-bits omzetter verdeelt zijn volle-schaalbereik VFSR in 2ᴺ codes, van 0 tot 2ᴺ − 1. Eén stap is 1 LSB = VFSR/2ᴺ: de kleinste verandering die de omzetter kan tonen. Een afkappende ADC geeft de code ⌊Vin/LSB⌋; een afrondende ADC zit nooit meer dan ½ LSB van de ware waarde af, zijn kwantisatiefout. Elke extra bit halveert de LSB en voegt ongeveer 6 dB toe aan de ideale signaal-kwantisatieruisverhouding SQNR = 6,02·N + 1,76 dB voor een sinus met volle uitsturing. Om een resolutie r over een bereik te halen, kies je de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/r.

Benodigde stappen

10000 mV/0,2 mV = 50000

Bits

log₂(50000) = 15,61
215 = 32768 < 50000 ≤ 216 = 65536
N = 16

Antwoord

N = 16
4.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: ΔTLSB = 4,883 °C

ADC-resolutie: een N-bits omzetter verdeelt zijn volle-schaalbereik VFSR in 2ᴺ codes, van 0 tot 2ᴺ − 1. Eén stap is 1 LSB = VFSR/2ᴺ: de kleinste verandering die de omzetter kan tonen. Een afkappende ADC geeft de code ⌊Vin/LSB⌋; een afrondende ADC zit nooit meer dan ½ LSB van de ware waarde af, zijn kwantisatiefout. Elke extra bit halveert de LSB en voegt ongeveer 6 dB toe aan de ideale signaal-kwantisatieruisverhouding SQNR = 6,02·N + 1,76 dB voor een sinus met volle uitsturing. Om een resolutie r over een bereik te halen, kies je de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/r.

Stapgrootte

1 LSB = 5000/1024 = 4,883 mV

Gevoeligheid bij de ADC

1·1 = 1 mV/°C

Temperatuurresolutie

ΔTLSB = 4,883/1 = 4,883 °C

Antwoord

ΔTLSB = 4,883 °C

De ADC bereikt volle schaal bij 5000 °C.

5.Opampschakelingen

Antwoord: Vout = −8,4 V

Regels voor de ideale opamp: met tegenkoppeling stuurt de opamp zijn uitgang zo dat beide ingangen op dezelfde spanning staan (V₋ = V₊), en er loopt geen stroom in een van de ingangen. De stroomwet in de inverterende ingang met deze twee feiten geeft de uitgang.

De inverterende ingang volgt de ingang

V₋ = V₊ = −1,4 V
I = V₋/R1 = −1,4/2 = −0,7 mA

Uitgangsspanning

De stroom door R₁ loopt ook door Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −1,4 + (−0,7)·10 = −8,4 V

Antwoord

Vout = −8,4 V
6.Opampschakelingen

Antwoord: Vout = 3,828 V

Regels voor de ideale opamp: met tegenkoppeling stuurt de opamp zijn uitgang zo dat beide ingangen op dezelfde spanning staan (V₋ = V₊), en er loopt geen stroom in een van de ingangen. De stroomwet in de inverterende ingang met deze twee feiten geeft de uitgang.

Ingangsstromen

V₋ = 0, dus over elke ingangsweerstand staat zijn volledige ingangsspanning.

I1 = V1/R1 = −1,9/1 = −1,9 mA
I2 = V2/R2 = −1,4/100 = −0,014 mA
If = I1 + I2 = −1,914 mA

Uitgangsspanning

Vout = −Rf·If = −2·(−1,914) = 3,828 V

Antwoord

Vout = 3,828 V
7.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: Req = 8,759 Ω

Serie- en parallelschakeling: in serie loopt dezelfde stroom door elke weerstand en R = R₁ + R₂ + …. Parallel staat over elke weerstand dezelfde spanning en 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Een laddernetwerk wordt paar voor paar vereenvoudigd tot er één vervangingsweerstand overblijft.

R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​8 ΩB

Combineer weerstanden vanaf het verste uiteinde

Begin bij het uiteinde dat het verst van de bron ligt en werk terug naar de bron. Weerstanden met dezelfde stroom staan in serie; weerstanden tussen dezelfde twee knooppunten staan parallel.

R3 + R4 = 15 + 8 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 6·23/(6+23) = 4,759 Ω
Req = R1 + 4,759 = 4 + 4,759 = 8,759 Ω

Antwoord

Req = 8,759 Ω
8.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: IR1 = 1,106 A

Serie- en parallelschakeling: in serie loopt dezelfde stroom door elke weerstand en R = R₁ + R₂ + …. Parallel staat over elke weerstand dezelfde spanning en 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Een laddernetwerk wordt paar voor paar vereenvoudigd tot er één vervangingsweerstand overblijft.

R1​ = 30 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBR6​8 Ω

Combineer weerstanden vanaf het verste uiteinde

Begin bij het uiteinde dat het verst van de bron ligt en werk terug naar de bron. Weerstanden met dezelfde stroom staan in serie; weerstanden tussen dezelfde twee knooppunten staan parallel.

R5 + R6 = 5 + 8 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 4,952 Ω
R3 + 4,952 = 16,95 Ω
R2 ∥ 16,95 = 2,549 Ω
Req = R1 + 2,549 = 30 + 2,549 = 32,55 Ω

Stroom uit de bron

De bron ziet alleen Req, dus de wet van Ohm geeft de stroom die hij levert. Die stroom loopt door R₁.

IR1 = V1/Req = 36/32,55 = 1,106 A

Antwoord

IR1 = 1,106 A
9.Thévenin en Norton

Antwoord: Rth = 14,5 Ω

Stelling van Thévenin: elk lineair tweepoolnetwerk gedraagt zich als één spanningsbron Vth in serie met een weerstand Rth. De stelling van Norton geeft hetzelfde netwerk als een stroombron IN = Vth/Rth parallel aan Rth.

R1​ = 5 ΩR3​ = 12 ΩKORTSLUITINGR2​5 ΩAabRth​

Vind Rth met alle bronnen uitgeschakeld

Vervang spanningsbronnen door kortsluitingen en stroombronnen door open circuits, en kijk dan vanaf a–b de schakeling in.

R1 ∥ R2 = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 12 = 14,5 Ω
10.Thévenin en Norton

Antwoord: PL = 3,653 W

Stelling van Thévenin: elk lineair tweepoolnetwerk gedraagt zich als één spanningsbron Vth in serie met een weerstand Rth. De stelling van Norton geeft hetzelfde netwerk als een stroombron IN = Vth/Rth parallel aan Rth.

R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩKORTSLUITINGR2​2 ΩAOPENBabRth​

Vind Rth met alle bronnen uitgeschakeld

Vervang spanningsbronnen door kortsluitingen en stroombronnen door open circuits, en kijk dan vanaf a–b de schakeling in.

R1 ∥ R2 = 5·2/(5+2) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 8 = 9,429 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​1 ABab+−Vth​

Vind Vth, de openklemspanning

Met a–b open is het enige pad voor Iₛ via R₃ naar knooppunt A. Vind V_A met superpositie van V₁ en Iₛ, en tel dan de spanningsval over R₃ erbij op.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4,286 + 1·1,429 = 5,714 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,714 + 1·8 = 13,71 V
Rth​ = 9,429 Ω+−Vth​13,71 VRL​3 ΩIL​

Sluit de belasting aan op het Thévenin-equivalent

De Thévenin-bron en R_th in serie gedragen zich bij a–b precies als de oorspronkelijke schakeling, dus de belasting ziet een eenvoudige serielus.

IL = Vth/(Rth + RL) = 13,71/(9,429 + 3) = 1,103 A
PL = IL²·RL = 1,103²·3 = 3,653 W

ExamProblems · examproblems.com/courses/measurement-and-instrumentation